СВЯЗЬ
СЕТЬ ДАЛЬНЕЙ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
«Вояджер» разговаривает с Землёй с мощностью примерно лампочки в холодильнике, с расстояния в миллиарды километров. До Земли доходит около 10⁻¹⁸ ватта. Чтобы его услышать, нужны одни из крупнейших поворотных антенн на Земле, приёмники, охлаждённые почти до абсолютного нуля, и аккуратный учёт в децибелах. Шесть глав и два прибора: соберите бюджет радиолинии, проверенный по таблице самой JPL для «Вояджера», и узнайте, почему выигрывают большие антенны и высокие частоты.
НАЧАТЬ — ГЛАВА 01 →Голдстоун, Мадрид, Канберра
Пока Земля вращается, любая отдельная станция половину суток не видит далёкий аппарат. Сеть дальней космической связи NASA решает это тремя комплексами, разнесёнными по земному шару, — в Калифорнии, Испании и Австралии, — так что аппарат всегда над чьим-то горизонтом. В каждом есть одна 70-метровая антенна — DSS-14 в Голдстоуне, DSS-63 в Мадриде, DSS-43 в Канберре — и несколько 34-метровых [2].
70-метровые антенны слушают через усилители с криогенным охлаждением: в диапазоне X вся приёмная система добавляет шум, эквивалентный температуре всего около 21 кельвина [1][2]. Это и есть настоящий предел дальней радиолинии — не насколько слаб сигнал, а насколько он слаб по сравнению с шумом.
−308 дБ пустого пространства
Бюджет радиолинии перемножает всё на пути сигнала, поэтому инженеры складывают логарифмы: мощность передатчика, плюс усиление каждой антенны, минус потери в пространстве из-за расхождения сигнала по всё большей сфере. Опубликованная JPL расчётная таблица для «Вояджера-2» на 1 января 1996 года, на расстоянии 48,62 а.е., даёт 40,9 дБм (12,3 Вт) в остронаправленную антенну с усилением 48,2 дБи, потери в пространстве −308,19 дБ на 8415 МГц, 70-метровую антенну с 74,01 дБи и принимаемую мощность −145,5 дБм [1].
При спектральной плотности шума −185,35 дБм/Гц это давало отношение сигнал/шум 39,9 дБ·Гц, и телеметрия 160 бит/с замыкалась с запасом 13,3 дБ [1]. Прибор ниже собирает этот бюджет из физики: усиление антенны по диаметру, потери по расстоянию, шум по температуре. Начните с пресета «Вояджер-2», затем отодвиньте «Вояджер-1» на один световой день.
Усиление — это просто фокусировка
Антенна не создаёт мощность — она сжимает её в узкий луч. Усиление растёт как квадрат диаметра, измеренного в длинах волн, поэтому вдвое более широкая антенна или вчетверо более высокая частота дают 6 дБ или 12 дБ. Платить приходится наведением: луч сужается в той же пропорции, и бо́льшую, более высокочастотную антенну нужно наводить точнее (о том, почему тарелка вообще фокусирует, — в ПАРАБОЛЕ).
Остронаправленная антенна «Вояджера» диаметром 3,66 м с усилением в диапазоне X около 48 дБи всё же имеет такой луч, что его пятно на расстоянии Земли от окраин Солнечной системы — десятки миллионов километров [1]. Меняйте диаметр и частоту и смотрите, как обмениваются усиление и ширина луча.
Ширина луча по половинной мощности ≈ 70 λ/D градусов — стандартное эмпирическое правило для параболической антенны; η = 0,65.
Скорость передачи «Вояджера», рассчитанная на угасание
Сигнал ослабевает как квадрат расстояния, так что каждое удвоение стоит 6 дБ — вчетверо меньшую скорость передачи. JPL это предусмотрела: в её монографии о связи «Вояджеров» указаны годы, когда каждая скорость перестанет работать на каждой антенне: 1400 бит/с на 70-метровой — примерно до 2007–2011, 160 бит/с на 34-метровой — примерно до 2024–2029 [1]. «Вояджер-1» должен достичь одного светового дня, около 25,9 млрд км, 18 ноября 2026 года: тогда команда будет идти до него целые сутки [3].
Когда одной антенны уже не хватает, сеть объединяет несколько антенн, складывая их сигналы; в таблице монографии для самых высоких скоростей указана связка 70-метровой и 34-метровой антенн [1]. И выгодно подниматься по частоте: те же антенны в диапазоне Ka (32 ГГц) вместо X (8,4 ГГц) дают примерно по 11,6 дБ на каждом конце линии — хотя дождь и влажность гораздо сильнее мешают диапазону Ka [4].
Самый долгий телефонный разговор
Посмотрите это как световую инсталляцию: Light-Day каждый час отправляет импульс к «Вояджеру-1» в истинном масштабе, а время прохождения сигнала рассчитано по эфемеридам JPL.
Бюджет радиолинии — обещание, записанное в децибелах: каждый, потраченный на расстояние, нужно выкупить большей антенной, более холодным приёмником или более медленным сообщением.